시간여행, 얼마나 가능한가?

[유토피아]

공간이 아닌 과거, 미래를 여행하는 시간여행은 H. G. 웰스의 소설 [타임머신]에서부터, 영화 [백 투더 퓨처] 시리즈까지 SF물의 단골 소재로 우리에게 아주 익숙한 개념이다. 그렇다면, 허구가 아닌 실제에서 시간여행은 어떨까? 시간여행은 어떤 방법으로 가능할까? 불가능하다면 이유는 무엇일까? 과거로 또 미래로 떠나는 시간여행 방법 6가지를 살펴본다.

그런데  미래여행은 과거여행에 비해 쉽다.

상대성이론의 시간지연효과를 이용하면 된다. 빠르게 움직이거나, 아주 큰 중력을 가진 블랙홀 같은 곳으로 여행하면 시간이 천천히 흐르기 때문에 미래로 시간을 여행할 수 있다. 지금도 우주비행사들은 아주 짧은 시간이지만 시간여행을 경험하고 있다. 세 번의 우주비행으로 총 748일간 궤도에 있었던 러시아 우주비행사 세르게이 아브데예프(Sergei Avdeyev, 1956~)는 이미 5분의 1초 정도 미래로 여행했다. 우주정거장이 시속 2만 7200km 이상의 속도로 비행해 시간이 지연됐기 때문이다.

1. 베텔기우스 왕복 특급

빛의 속도의 99.995%로 달리는 우주선을 타고 500광년 떨어진 별 베텔기우스에 다녀오면 1000년 뒤의 미래로 갈 수 있다. 우주선의 시계는 지구에서 보면 100분의 1의 속도로 느리게 간다. 우주선의 길이도 100분의 1로 작아 보인다. 빛의 속도의 99.995%로 움직이면 우주비행사가 보기에는 다른 별과 행성이 빛의 속도에 가깝게 움직인다. 우주선에선 태양과 베텔기우스의 거리는 5광년으로 측정된다. 즉 우주비행사가 보기엔 10년이면 베텔기우스를 왕복할 수 있다. 먼 미래로 가길 원하면 더 빠른 우주선에 탑승하거나 더 오래 여행하면 된다. 아이디어의 기원 아인슈타인 이후 절대적인 시간은 더 이상 존재하지 않는다. 보는 사람의 위치에 따라 시간이 달라진다. 아인슈타인은 시간과 공간을 결합해 시공간이란 개념을 만들었다. 시간과 공간이 따로 흐르고 변하는 것이 아니라 함께 변한다. 움직이고 있는 관찰자와 멈춰 있는 관찰자가 정의하는 ‘동시’는 다르다. 멈춰있는 관찰자에게 동시에 일어난 두 사건이 움직이는 관측자에는 동시가 아니다. 자신에게 가까운 사건을 먼저 알아채 동시가 아니라고 생각한다. 우주로 여행하는 사람이 우주선의 시계에 따라 1분 간격으로 지구로 신호를 보낸다고 하자. 이 신호를 지구에서 기록하면 1분 1초 간격이다. 우주선의 시간이 지구의 시간보다 천천히 가기 때문이다. 물론 우주비행사는 우주선의 시계가 제대로 가고 있다고 느낀다. 지구에서 보기에 더 천천히 가는 것이다.

우주선을 타고 500광년 떨어진 별 베텔기우스를 빛에 가까운 속도로 왕복하면 10년만에 1000년 뒤의 미래로 갈 수 있다.

아직은 불가능한 이유 리처드 고트(J. Richard Gott, 1947~) 프린스턴대 교수는 이런 미래 여행 방식이 가능하려면 지금까지 가장 높은 출력을 가진 새턴 5호 로켓의 4000배에 달하는 물질-반물질 로켓을 만들어야 한다고 계산했다. 물질-반물질 에너지 저장 탱크와 엔진이 녹지 않게 냉각하는 기술, 우주선에 부딪히는 성간 물질로부터 우주선을 보호하는 기술을 개발해야 한다. 우주비행사가 10년간의 우주 비행을 견디는 것을 제외하고 말이다.

2. 블랙홀 탈출 익스프레스

안이 텅 빈 구 모양의 블랙홀을 만들어 그 안에 들어간다. 블랙홀 안으로 들어가면 중력이 0이어서 공의 안쪽은 안전하다. 블랙홀 안의 시간은 느리게 가며, 밖의 시간은 빨리 지나간다. 더 먼 미래로 빨리 여행하고 싶다면 더 압축된 블랙홀을 만들거나 더 무거운 블랙홀을 만들어야 한다. 물리학자 앨런 라이트먼(Alan Lightman, 1948~), 빌 프레스(William H. Press, 1948~) 등의 계산에 따르면 아무리 단단한 물질이라도 붕괴되지 않고 스스로 지탱하는데 한계가 있다고 한다. 시간여행 속도도 제한이 있다. 이런 형태의 타임머신은 블랙홀에서 1년 지내면 밖의 시간이 5년이 흐르는 것보다 빠르게 만들 수 없다. 아이디어의 기원 우주선을 타고 블랙홀에 다가가면 중력에 의해 속도가 점점 빨라져 결국 빛의 속도에 가까워진다. 이때 블랙홀에 다가갈수록 바깥으로 나가는 빛의 속도가 느려진다. 블랙홀에 떨어지는 우주선은 아주 빠르게 블랙홀에 떨어진다고 여긴다.

블랙홀에 빨려들어가는 것보단 블랙홀에 들어가 있는 것이 낫다. 블랙홀의 안은 안전하기 때문이다.

하지만 먼 곳에서 보면 우주선이 천천히 블랙홀에 가까워지며 아무리 기다려도 블랙홀에 닿지 못하는 것처럼 보인다. 이렇게 블랙홀로 가까이 가는 것도 시간여행을 하는 한 방법이겠지만, 이럴 경우 우주선이 버티지 못하기 때문에 어느 한 곳에서 블랙홀을 만들어 그곳에 들어가 있는 방법이 안전하다.

아직은 불가능한 이유 이 타임머신의 질량은 태양의 두 배인데, 지름은 12.6km에 불과하다. 모든 것을 빨아들이는 블랙홀을 만드는 장소를 찾는 일도, 만들기도, 해체하기도 쉽지 않다.

블랙홀의 상상도. 블랙홀에 빨려들어가는 순간은 아주 짧다. 하지만 밖에서 보면 영원히 블랙홀에 닿지 못하는 것처럼 보인다.

과거여행

과거로 시간여행을 한다는 것은 시공간상에서 출발한 곳으로 다시 돌아와야 한다는 의미다. 빛보다 빠른 물체가 있다 하더라도 일반적인 시공간에서는 출발한 곳으로 다시 돌아올 수 없다. 시간은 한 방향으로 흘러가니 원래 출발한 시공간으로 돌아가려면 시간을 거슬러 올라가야 한다. 이를 위해선 시공간을 구부리는 것이 필요하다. 중력이 시공간을 휘게 한다는 아인슈타인의 중력이론(일반상대성이론)에 의해 가능하다.

3. 벌레 구멍

‘웜홀’이라는 특별한 시공간 구조를 이용하면 과거로 돌아갈 수 있다. 웜홀은 시공간이 떨어져 있는 두 지점을 연결하는 지름길이다. 웜홀을 이용해 과거를 여행하는 방법은 조금 복잡하다. 웜홀이 존재해야 할 뿐만 아니라 한 쪽 웜홀이 시간지연이 일어날 만큼 빠르게 움직여야 한다. 웜홀의 한 쪽 입구 A를 빠르게 이동했다가 돌아오게 하면 시간이 지연돼 다른쪽 입구 B에 비해 시간이 느리게 흐른다. B를 출발해 시간이 지연된 입구 A로 들어가서 다시 B로 나오면 출발보다 과거가 돼 다시 과거를 만날 수 있다. 반대로 지연된 입구 A에서 출발해 다른쪽 입구 B로 여행하면 미래로 여행할 수 있다. 아이디어의 기원 웜홀을 이용한 시간 여행은 킵 손(Kip Thorne, 1940~) 미국 캘리포니아공대 이론물리학과 교수가 제안했다. 웜홀은 블랙홀과 화이트홀을 이어주는 일종의 통로다. 우주 시공간의 구조를 결정하는 중력방정식을 통해 블랙홀과 비슷한 성질을 갖는 웜홀의 해 ‘아인슈타인-로젠 다리’를 자연스럽게 얻을 수 있다. 웜홀은 시공간 사이를 잇는 좁은 지름길이 돼 시간여행을 가능하게 한다.

그림에서 굽은 공간의 표면은 사실 우리가 보기엔 곧게 펴진 공간이다. 곧게 펴진 공간을 잇는 다리를 웜홀이라고 한다.

웜홀은 사과를 파먹은 벌레가 만든 구멍과 비슷하다. 벌레가 사과 표면에서만 움직이는 것보다 구멍이 만든 지름길로 간다면 더 빨리 갈 수 있다. 웜홀은 사과의 벌레 구멍처럼 별과 별사이, 은하와 은하 사이가 구부러져 통하는 지름길이다. 만약 공간만이 아니라 시간도 연결돼 있다면 킵손 교수가 제시한 위의 방법과 달리 자유자재로 과거와 미래를 오갈 수 있을 것이다.

아직은 불가능한 이유 웜홀이 열린 상태를 유지하려면 특수한 물질이 필요하다. 이 물질은 질량이 0보다 작은 음의 에너지밀도와 음의 중력을 가져야 한다. 그래야 바깥쪽으로 밀어내는 힘이 작용해 웜홀이 닫히는 것을 막을 수 있어 여행자가 웜홀 속을 통과할 때 안전하다.

4. 괴델의 회전하는 우주

1949년 수학자 쿠르트 괴델(Kurt Gödel, 1906~1978)은 ‘회전하는 우주’ 모형을 고안했다. 이 우주의 시공간은 물질 분포에 의해 크게 휘어 닫힌곡선을 이룬다. 빛은 순환하는 부메랑 같이 움직인다. 빛에 가까운 속도로 달려 부메랑의 경로를 직선으로 가로지르면 빛을 앞지를 수 있다. 이를 시간여행에 활용하면 과거와 미래로 갈 수 있다. 아이디어의 기원 아인슈타인의 장 방정식은 질량을 가진 물체 주변의 시공간이 어떻게 구부러지는가를 표현한 것이다. 전체 우주의 질량분포로부터 우리가 살고 있는 우주의 구조와 진행 상태를 알 수 있다. 이때 우주상수의 크기와 물체의 분포 및 상태를 바꾸면 다양한 우주 모형을 만들 수 있다. 괴델의 회전하는 우주도 그 중 하나다. 괴델의 우주는 아주 큰 우주상수가 있고 우주 전체가 회전하고 있다는 가정을 담았다. 이 우주에서는 시간여행이 가능하다. 일반상대성이론을 통해 계산해낸 우주인만큼 인과율을 제외하면 이론적인 모순이 없다. 괴델은 시간여행에 필요한 정확한 우주선의 속도와 연료, 거리와 시간까지 계산했다. 아직은 불가능한 이유 아쉽게도 우리는 괴델의 회전하는 우주에 살고 있지 않다. 관측에 따르면 은하는 서로 멀어지고 있으며, 이는 우주가 팽창하고 있다는 것을 말해 준다. 그리고 만약 우주가 괴델의 우주처럼 빠르게 회전하고 있다면 우주 마이크로파의 배경복사의 온도가 계속 변하겠지만, 이런 현상은 관측되지 않았다.

괴델의 회전하는 우주에서는 빛이 부메랑처럼 곡선을 이루며 휜다. 직선인 지름길로 빛보다 빠른게 간다면 과거로 갈 수 있다.

5. 반입자 도플갱어

반입자를 이용한 시간여행이 있다. 이 방법은 아주 우연히 가능하다. 먼저 잘 계획된 ‘시간여행자-반시간여행자’ 짝이 수천 개의 수소폭탄에너지에서 생성돼야 한다. 반대 되는 성질의 두 시간여행자는 원자수준까지 정확히 복제돼야 한다. 반시간여행자는 시간을 뒤로 여행하고, 시간여행자는 앞으로 여행한다. 그리고 반시간여행자는 다시 시간여행자를 만나야 한다. 반시간여행자 속의 각 입자가 시간여행자 속의 대응되는 입자와 부딪혀 소멸한다. 이때 생성하는 에너지에 의해 시간여행자의 몸이 찢기는 것을 방지해야 한다. 아이디어의 기원 영국의 물리학자 폴 디랙(Paul Dirac, 1902~1984)은 1928년 수소원자의 상대론적 양자이론을 발표하면서 전자에 대한 반입자가 존재한다고 주장했다. 1932년 미국의 물리학자 칼 앤더슨(Carl Anderson, 1905~1991)은 실제로 우주에서 날아온 전자의 반입자(양전자)를 발견했다. 존 휠러(John Wheeler, 1911~2008) 프린스턴대 교수는 반입자를 이용하면 과거로 여행하는 전자를 볼 수 있다고 주장했다. 훨러는 우주의 모든 전자가 시간의 앞뒤로 여러 번 오갈지도 모른다고 생각했다. 리처드 파인만(Richard Feynman, 1918~1988)은 시간을 거슬러 과거로 올라가는 입자를 관측할 때, 이 입자는 반입자로 보인다고 해석했다. 그렇다면 입자와 반입자가 부딪쳐서 사라지는 것은 입자가 진행 방향을 바꿔 과거로 되돌아갔다고 생각할 수 있다. 입자와 반입자가 언제나 쌍으로 생기는 것은 과거로 거슬러 올라간 입자가 시간의 방향을 뒤집어서 미래로 나아가기 때문이다.

아주 운이 좋아 내가 입자와 반입자로 나뉜다면 반입자인 나는 과거로 간다. 물론 보고 온 과거를 다시 보려면 다시 한 번 운이 좋아야 한다.

아직은 불가능한 이유 이 아이디어가 성공하려면 어느 시점에서 우주 내의 양전자와 전자의 수가 거의 같아야 한다. 아쉽게도 현재는 우주에 양전자보다 전자가 훨씬 더 많이 있다. 또 입자와 반입자가 만나 소멸할 때 에너지가 나오는 데 이 에너지를 시간여행자가 버틸 가능성은 없다.

6. 우주끈 히치하이킹

우주선을 타고 지구를 출발해 목적지 행성으로 향한다. 보통 지구에서 직선코스로 향하는 것이 최단경로지만, 우주끈 주위에는 공간이 떨어져 있으므로 광속으로 향해 가는 우주끈 A의 옆을 도는 쪽이 거리가 짧아진다. 우주선은 우주끈의 경로로 빛에 가까운 속도로 목적지로 향한다. 그러면 지구에서 목적지까지 똑바로 나아가는 빛보다 빨리 도착할 수 있다. 목적지에 도착해 지구를 보면 아직 출발하기 전의 우주선이 보인다. 또 반대로 지구로 돌아오는 우주끈 B의 옆을 돌아 지구로 오면 지구를 출발하려는 자기 자신을 만날 수 있다. 아이디어의 기원 리처드 고트 미국 프린스턴대 교수가 제안한 시간여행이다. 우주끈은 길고 얇은 물체로 우주생성 초기 물질들이 시공간의 구조에서 끈의 모양으로 만들어진 것이다. 시공간의 다른 영역들이 상변이를 겪을 때 두 영역 사이의 경계에서 형성된다. 이는 마치 액체가 응고될 때 결정 알갱이 사이에 형성되는 경계나 물이 얼음으로 변할 때 형성되는 갈라진 틈과 비슷하다. 아주 무한히 긴 두 개의 우주끈이 서로 아주 빠르게 움직인다면 그 주위에서 시간여행을 할 수 있는 영역이 생긴다. 두 끈이 서로 지나치면서 시공간은 심하게 왜곡된다. 시간여행 우주선은 쌍을 이룬 두 끈의 주위를 비행하면서 이런 시공간의 왜곡 현상을 이용한다. 타이밍을 잘 맞춰 시공간의 왜곡에 올라타면 과거로 시간여행을 할 수 있다.

우주끈은 공간을 왜곡해 지름길을 만든다. 이 지름길을 이용하면 과거로 갈 수 있다.

아직은 불가능한 이유 다른 모든 것이 가능하다고 하자. 아직 관측되지 않은 우주끈도 있다고 하자. 그런데 과거로 시간여행이 가능하려면 질량이 1cm당 1경t이며 빛의 속도의 99.999999996% 이상으로 반대 방향으로 움직이는 무한히 평행한 두 우주끈이 존재해야 한다.